伺服電機的慣量負載

1、伺服電機的慣量負載一、進給驅(qū)動伺服電機的選擇1.原則上應該根據(jù)負載條件來選擇伺服電機。在電機軸上所有的負載有兩種，即阻尼轉(zhuǎn)矩和慣量負載。這兩種負載都要正確地計算，其值應滿足下列條件:1)當機床作空載運行時，在整個速度范圍內(nèi)，加在伺服電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩應在電機連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，即應在轉(zhuǎn)矩速度特性曲線的連續(xù)工作區(qū)。2)最大負載轉(zhuǎn)矩，加載周期以及過載時間都在提供的特性曲線的準許范圍以內(nèi)。3)電機在加速/減速過程中的轉(zhuǎn)矩應在加減速區(qū)(或間斷工作區(qū))之內(nèi)。4)對要求頻繁起，制動以及周期性變化的負載，必須檢查它的在一個周期中的轉(zhuǎn)矩均方根值。并應小于電機的連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩。5)加在電機軸上的負載慣量大小對電機

2、的靈敏度和整個伺服系統(tǒng)的精度將產(chǎn)生影響。通常，當負載小于電機轉(zhuǎn)子慣量時，上述影響不大。但當負載慣量達到甚至超過轉(zhuǎn)子慣量的5倍時，會使靈敏度和響應時間受到很大的影響。甚至會使伺服放大器不能在正常調(diào)節(jié)范圍內(nèi)工作。所以對這類慣量應避免使用。推薦對伺服電機慣量Jm和負載慣量Jl之間的關(guān)系如下:      Jl<5×Jm1、負載轉(zhuǎn)矩的計算負載轉(zhuǎn)矩的計算方法加到伺服電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩計算公式，因機械而異。但不論何種機械，都應計算出折算到電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩。通常，折算到伺服電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩可由下列公式計算:Tl=(F*L/2)+T0式中:Tl折算到電

3、機軸上的負載轉(zhuǎn)矩(N.M)；F：軸向移動工作臺時所需要的力；L：電機軸每轉(zhuǎn)的機械位移量(M)；To：滾珠絲杠螺母，軸承部分摩擦轉(zhuǎn)矩折算到伺服電機軸上的值(N.M)；：驅(qū)動系統(tǒng)的效率F：取決于工作臺的重量，摩擦系數(shù)，水平或垂直方向的切削力，是否使用了平衡塊(用在垂直軸)。無切削時: F=*(W+fg)，切削時: F=Fc+*(W+fg+Fcf)。W：滑塊的重量(工作臺與工件)Kg；：摩擦系數(shù)；Fc：切削力的反作用力；Fg：用鑲條固緊力；Fcf：由于切削力靠在滑塊表面作用在工作臺上的力(kg)即工作臺壓向?qū)к壍恼驂毫Α?計算轉(zhuǎn)矩時下列幾點應特別注意：(a)由于鑲條產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩必須充分地考慮。通

4、常，僅僅從滑塊的重量和摩擦系數(shù)來計算的轉(zhuǎn)矩很小的。請?zhí)貏e注意由于鑲條加緊以及滑塊表面的精度誤差所產(chǎn)生的力矩。(b)由于軸承，螺母的預加載，以及絲杠的預緊力滾珠接觸面的摩擦等所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩均不能忽略。尤其是小型輕重量的設(shè)備。這樣的轉(zhuǎn)矩回應影響整個轉(zhuǎn)矩。所以要特別注意。(c)切削力的反作用力會使工作臺的摩擦增加，以此承受切削反作用力的點與承受驅(qū)動力的點通常是分離的。如圖所示，在承受大的切削反作用力的瞬間，滑塊表面的負載也增加。當計算切削期間的轉(zhuǎn)矩時，由于這一載荷而引起的摩擦轉(zhuǎn)矩的增加應給予考慮。(d)摩擦轉(zhuǎn)矩受進給速率的影響很大，必須研究測量因速度工作臺支撐物(滑塊，滾珠，壓力)，滑塊表面材料及潤滑

5、條件的改變而引起的摩擦的變化。已得出正確的數(shù)值。(e)通常，即使在同一臺的機械上，隨調(diào)整條件，周圍溫度，或潤滑條件等因素而變化。當計算負載轉(zhuǎn)矩時，請盡量借助測量同種機械上而積累的參數(shù)，來得到正確的數(shù)據(jù)。2.負載慣量的計算。由電機驅(qū)動的所有運動部件，無論旋轉(zhuǎn)運動的部件，還是直線運動的部件，都成為電機的負載慣量。電機軸上的負載總慣量可以通過計算各個被驅(qū)動的部件的慣量，并按一定的規(guī)律將其相加得到。1)圓柱體慣量 如滾珠絲杠，齒輪等圍繞其中心軸旋轉(zhuǎn)時的慣量可按下面公式計算: J=(/32)*D4L(kg cm2) 如機構(gòu)為鋼材，則可按下面公式計算: J=(0.78*10-6)*D4L(kg cm2)

6、式中: 材料的密度(kg/cm2) D圓柱體的直經(jīng)(cm) L圓柱體的長度(cm)2)軸向移動物體的慣量工件，工作臺等軸向移動物體的慣量，可由下面公式得出: J=W*(L/2)2 (kg cm2) 式中: W直線移動物體的重量(kg) L電機每轉(zhuǎn)在直線方向移動的距離(cm)3)圓柱體圍繞中心運動時的慣量如圖所示:圓柱體圍繞中心運動時的慣量屬于這種情況的例子:如大直經(jīng)的齒輪，為了減少慣量，往往在圓盤上挖出分布均勻的孔這時的慣量可以這樣計算: J=Jo+W*R2(kg cm2) 式中:Jo為圓柱體圍繞其中心線旋轉(zhuǎn)時的慣量(kgcm2) W圓柱體的重量(kg) R旋轉(zhuǎn)半徑(cm)4)相對電機軸機械變

7、速的慣量計算將上圖所示的負載慣量Jo折算到電機軸上的計算方法如下: J=(N1/N2)2Jo 式中:N1 N2為齒輪的齒數(shù)3.電機加速或減速時的轉(zhuǎn)矩 電機加速或減速時的轉(zhuǎn)矩1)按線性加減速時加速轉(zhuǎn)矩計算如下: Ta=(2Vm/60*104) *1/ta(Jm+JL)(1-e-ks。ta) Vr=Vm1-1/ta.ks(1-e-ksta) Ta加速轉(zhuǎn)矩(N.M) Vm快速移動時的電機轉(zhuǎn)速(r/min) Ta加速時間(sec) Jm電機慣量(N.m.s2) JL負載慣量(N.m.s2) Vr加速轉(zhuǎn)矩開始減少的點 Ks伺服系統(tǒng)位置環(huán)增益(sec-1)電機按指數(shù)曲線加速時的加速轉(zhuǎn)矩曲線此時，

8、速度為零的轉(zhuǎn)矩To可由下面公式給出: To=(2Vm/60*104) *1/te(Jm+JL) Te指數(shù)曲線加減速時間常數(shù)2)當輸入階段性速度指令時。 這時的加速轉(zhuǎn)矩Ta相當于To，可由下面公式求得(ts=ks)， Ta=(2Vm/60*104)*1/ts(Jm+JL)。3.工作機械頻繁啟動，制動時所需轉(zhuǎn)矩。當工作機械作頻繁啟動，制動時，必須檢查電機是否過熱，為此需計算在一個周期內(nèi)電機轉(zhuǎn)矩的均方根值，并且應使此均方根值小于電機的連續(xù)轉(zhuǎn)矩。電機的均方根值:Trms=(Ta+Tf)2t1+Tf2t2+(Ta-Tf)2t1+To2t3/T周式中: Ta加速轉(zhuǎn)矩(N.M) Tf摩擦轉(zhuǎn)矩(N.M) To

9、在停止期間的轉(zhuǎn)矩(N。M)t1t2t3t周 所知的時間。 t1t2t3t周 所知的時間示意圖4.負載周期性變化的轉(zhuǎn)矩計算也需要計算出一個周期中的轉(zhuǎn)矩均方根值Trms。且該值小于額定轉(zhuǎn)矩。這樣電機才不會過熱，正常工作。負載慣量與電機的響應和快速移動ACC/DEC時間息息相關(guān)。帶大慣量負載時，當速度指令變化時，電機需較長的時間才能到達這一速度，當二軸同步插補進行圓弧高速切削時大慣量的負載產(chǎn)生的誤差會比小慣量的大一些。通常，當負載慣量小于電機慣量時上述提及的問題一般不會發(fā)生。如果高于5倍馬達轉(zhuǎn)子慣量，一般伺服會出現(xiàn)不良反應，像高速激光切割機床，在設(shè)計時就要考慮負載慣量低于電機轉(zhuǎn)子慣量。 伺服的響應頻率，另外一個稱呼叫帶寬頻率。 確定方法：施加一定頻幅的正弦信號，慢慢提升正弦信號的頻率，當實際震幅衰減到-3分貝（相當于只有命令振幅的70%）時的頻率，這樣頻率范圍就叫帶寬。帶寬由系統(tǒng)采樣，運算周期，負載一整個環(huán)路的綜合特性決定。 相應頻率/帶寬反應了系統(tǒng)對于命令的響應能力，帶寬越高快速性（剛性）越好。 對于伺服而言：電流環(huán)，和速度環(huán)帶寬比較重要。 PID的調(diào)整影響響應頻率（帶寬）。 電流環(huán)，只和驅(qū)動器和馬達特性相關(guān)，電流環(huán)PID一般會固化在驅(qū)動器里，基本不用用戶調(diào)整。 速度